JP2023539517A - Reversible pneumatically driven expander - Google Patents
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Abstract
主にギフォード・マクマホン(GM)サイクルで運転される空気圧駆動式の低温冷凍機は、ディスプレーサを往復運動させるロータリーバルブと駆動ピストンの間の切換バルブによって冷却から昇温に切り換えられる。ロータリーバルブは、2つの半径位置にポートを有し、1つは、ディスプレーサへのフローを循環させるポートであり、もう1つは、駆動ピストンへのフローを循環させるポートである。2つのポートは、駆動ピストンの上側へのフローを循環させ、「冷却」ポートは、冷却サイクルを最適化し、「昇温」ポートは、良好な昇温サイクルを提供する。1つのポートから他のポートにフローを変更する切換バルブは、線形に又は回転式に作動させることができる。ロータリーバルブは、逆回転しない。【選択図】図1Pneumatically driven cryogenic refrigerators, which are mainly operated on the Gifford-McMahon (GM) cycle, are switched from cooling to heating by a switching valve between a rotary valve that reciprocates a displacer and a drive piston. The rotary valve has ports at two radial locations, one that circulates flow to the displacer and one that circulates flow to the drive piston. Two ports circulate flow to the top of the drive piston, the "cooling" port optimizing the cooling cycle and the "warming up" port providing a good heating cycle. Diversion valves that change flow from one port to another can be operated linearly or rotationally. Rotary valves do not rotate in reverse. [Selection diagram] Figure 1
Description
関連出願への相互参照
本出願は、2020年8月28日に出願された米国仮特許出願番号63/071,669の優先権を主張し、その全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 63/071,669, filed August 28, 2020, which is incorporated herein by reference in its entirety.
本発明は、冷却と昇温を切り換えるバルブを内蔵した往復式極低温エキスパンダ(reciprocating cryogenic expander)の空気圧駆動機構(pneumatic drive mechanism)に関する。 The present invention relates to a pneumatic drive mechanism for a reciprocating cryogenic expander that includes a built-in valve for switching between cooling and heating.
半導体は、真空チャンバで製造され、真空チャンバは、真空を作り出すためにギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon:GM)型冷凍機で冷却されたクライオポンプを使用することが一般的である。クライオポンプは、水蒸気等のグループIのガスが凍る約80Kに冷却されたウォームパネルと、窒素や酸素等のグループIIのガスが凍る約20Kに冷却されたコールドパネルを有する。コールドパネルの裏側の木炭は、より軽いガスである水素やヘリウムを吸着する。数日から数週間運用した後は、クライオポンプを温めて凍結物(cryodeposits)を除去する必要がある。クライオポンプ内には、可燃性のガスが蓄積されることがあるため、クライオポンプ内にヒータを設けることは避けられ、クライオパネルは、通常、クライオポンプハウジングの外側にあるヒータで間接的に温められる。最近使用されているGM型エキスパンダは、一方向に動かすと冷却を行い、逆方向に動かすと冷却の度合いが減少する。交互に昇温できるエキスパンダを備えたクライオポンプの使用によって、ウォームアップの高速化又は低コスト化、若しくはその両方を実現する選択肢が得られる。 Semiconductors are manufactured in a vacuum chamber, which typically uses a cryopump cooled by a Gifford-McMahon (GM) type refrigerator to create a vacuum. A cryopump has a warm panel cooled to about 80 K, where Group I gases such as water vapor freeze, and a cold panel cooled to about 20 K, where Group II gases such as nitrogen and oxygen freeze. The charcoal behind the cold panel absorbs lighter gases such as hydrogen and helium. After a few days or weeks of operation, the cryopump needs to be warmed up to remove cryodeposits. Because flammable gases can accumulate inside the cryopump, heaters are avoided in the cryopump, and the cryopanel is usually heated indirectly by a heater located outside the cryopump housing. It will be done. The GM type expanders currently in use provide cooling when moved in one direction, and decrease the degree of cooling when moved in the opposite direction. The use of a cryopump with an expander that can be heated alternately provides the option of faster warm-up and/or lower cost.
W.E.Gifford(ギフォード)及びH.O.McMahon(マクマホン)による米国特許3,045,436号には、GMサイクルが開示されている。ここに開示するシステムは、主にGMサイクルで動作し、通常、5~15kWの範囲の入力電力を有するが、より大きいシステム及びより小さいシステムもこの発明の範囲に含まれる。GMサイクル及び多くのブレイトン(Brayton)サイクルに基づく冷蔵庫は、空調用途に設計された油潤滑式コンプレッサを使用して、ガス(ヘリウム)を往復式極低温エキスパンダに供給する。GMエキスパンダは、室温の入口バルブと出口バルブ、再生器を介して冷間膨張空間(cold expansion space)にガスを循環させるが、ブレイトンサイクルエキスパンダは、ガスが室温で出入りする向流式熱交換器と、冷間膨張空間(cold expansion space)にガスを循環させる低温の入口バルブと出口バルブとを有する。エキスパンダのディスプレーサは、機械式に又は空気圧で駆動される。 W. E. Gifford and H. O. The GM cycle is disclosed in US Pat. No. 3,045,436 to McMahon. The systems disclosed herein operate primarily on the GM cycle and typically have input power in the range of 5-15 kW, although larger and smaller systems are also within the scope of this invention. Refrigerators based on the GM cycle and many Brayton cycles use oil-lubricated compressors designed for air conditioning applications to supply gas (helium) to reciprocating cryogenic expanders. GM expanders circulate gas through room temperature inlet and outlet valves and a regenerator to a cold expansion space, whereas Brayton cycle expanders circulate gas in and out of the cold expansion space at room temperature. It has an exchanger and cold inlet and outlet valves for circulating gas to a cold expansion space. The expander displacer is mechanically or pneumatically driven.
Giffordによる米国特許3,205,668号には、ディスプレーサの温端(warm end)に取り付けられたステムを有するGMエキスパンダが開示されており、このステムは、ロータリーバルブによって駆動ステムの上側の圧力を膨張空間への圧力と位相がずれた状態で循環させることによりディスプレーサを上下に駆動する。バルブが順方向に回転している場合、ディスプレーサが下降し(冷間変位容積(cold displaced volume)が最小)、圧力が低く、ステムの上側の圧力が高い状態でサイクルが開始されると想定される。ディスプレーサへの圧力が高圧に切り換わると、短い遅延を経て、駆動ステムの圧力が低圧に切り換わる。これによりディスプレーサが上昇し、高圧ガスが再生器を通って冷間変位容積に送り込まれる。ディスプレーサへの高圧バルブは、通常、ディスプレーサが上端に到達する前に閉じられ、ディスプレーサが上端に到達する際にはガスが部分的に膨張する。その後、ディスプレーサの低圧バルブが開かれ、膨張したガスが冷却される。その後、駆動ステムの上側の圧力が高圧に切り換わり、ディスプレーサを押し下げ、冷却された低圧ガスを冷端の熱交換器を通して押し出し、再生器を通して再び外に出し、サイクルを完了する。ディスプレーサへの圧力が切り換わると、再生器を介する圧力低下により駆動ステムに加わる力と同じ方向の力が発生する。圧力と変位の関係、P-Vを図にプロットすると、関係の順序は、時計回り方向で、面積は、1サイクルで発生する冷却量と等しい。米国特許3,205,668号のロータリーバルブを逆回転させると、駆動ステムへの圧力がディスプレーサへの圧力より先に切り換わり、P-V関係は時計回り方向のままであるが、タイミングが悪くなるために冷却効率が低下する。ディスプレーサ内の圧力と駆動ステムに加わる圧力が同じであるサイクルの位相では、ディスプレーサを動かすための正味の力は発生しない。 U.S. Pat. No. 3,205,668 to Gifford discloses a GM expander having a stem attached to the warm end of the displacer, the stem being driven by a rotary valve that controls pressure above the stem. The displacer is driven up and down by circulating it out of phase with the pressure to the expansion space. If the valve is rotating in the forward direction, it is assumed that the displacer is lowered (minimum cold displaced volume) and the cycle begins with lower pressure and higher pressure above the stem. Ru. When the pressure on the displacer switches to high pressure, the drive stem pressure switches to low pressure after a short delay. This causes the displacer to rise, forcing high pressure gas through the regenerator and into the cold displacement volume. The high pressure valve to the displacer is typically closed before the displacer reaches the top, and the gas partially expands when the displacer reaches the top. The displacer's low pressure valve is then opened and the expanded gas is cooled. The pressure above the drive stem then switches to high pressure, pushing the displacer down and forcing the cooled low pressure gas through the cold end heat exchanger and out again through the regenerator to complete the cycle. When the pressure on the displacer switches, the pressure drop across the regenerator creates a force in the same direction as the force on the drive stem. When the pressure-displacement relationship, PV, is plotted in a diagram, the order of the relationship is clockwise and the area is equal to the amount of cooling that occurs in one cycle. When the rotary valve of U.S. Pat. As a result, cooling efficiency decreases. During phases of the cycle where the pressure within the displacer and the pressure on the drive stem are the same, no net force is generated to move the displacer.
Longsworthによる米国特許8,448,461号は、空気圧で駆動される、ディスプレーサ/ピストン上のステムを有するブレイトンサイクルエキスパンダを開示しており、この発明のメカニズムを使用して冷却サイクルから昇温サイクルに切り換えることができる。また、この発明の機構を用いて、ディスプレーサ/ピストンが上下する速度を制御するオリフィスを調整して、クールダウン中の冷却を最適化できる。殆どのブレイトンサイクルエキスパンダは、冷間変位容積(cold displaced volume)を温端から分離するシール付きピストンを備えているが、米国特許8,448,461号は、再生器を内蔵したピストンを備えており、温間変位容積と冷間変位容積の圧力を均等にし、したがって、ディスプレーサと呼ぶことができる。 U.S. Pat. No. 8,448,461 to Longsworth discloses a pneumatically driven Brayton cycle expander having a stem on a displacer/piston that uses the mechanism of the invention to move from a cooling cycle to a heating cycle. You can switch to . The mechanism of the present invention can also be used to adjust the orifice that controls the rate at which the displacer/piston moves up and down to optimize cooling during cool-down. While most Brayton cycle expanders have a piston with a seal that separates the cold displaced volume from the warm end, U.S. Pat. It equalizes the pressure of the warm displacement volume and the cold displacement volume, and can therefore be called a displacer.
エキスパンダを逆回転させて昇温を行うためには、ディスプレーサは、圧力が低圧から高圧に切り換わるときに上端かその近くにあり、再生器の圧力低下による下降力があってもそこに留まり、冷間変位容積がそこで圧縮されるガスによって昇温されるようにする必要がある。この高圧の高温ガスは、再生器を通して押し出され、ディスプレーサが下降すると、圧力が低圧に切り換わる。これは、Asamiによる米国特許5,361,588号に記載されているようなロータリーバルブを有するスコッチヨーク(Scotch Yoke)駆動式ディスプレーサによって実現されている。スコッチヨーク駆動は、圧力に関係なくモータが回転することでディスプレーサの位置が固定される。ディスプレーサが順方向に回転する際にバルブを通してガスが出入りするタイミングを最適化し、冷凍を発生させる。ロータリーバルブディスクは、バルブシートのポート上を摺動する面を有し、バルブディスク背面のスロットに係合するピンを有するシャフトを有するバルブモータによって回転される。米国特許5,361,588号のバルブディスクは、ピンがスロットに係合する角度を変化させる環状スロットを有している。これにより、ディスプレーサが上部にあり下部に移動する際に高圧ポートが開き、ディスプレーサが下部にあり上部に移動する際に低圧ポートが開くことになる。P-Vシーケンスは、反時計回りである。バルブのタイミングは、ほぼ最適な昇温サイクルを実現するためのものである。 In order to reverse the expander rotation and increase temperature, the displacer must be at or near the top when the pressure switches from low to high pressure and remain there despite the downward force of the regenerator pressure drop. , it is necessary to ensure that the cold displacement volume is heated by the gas compressed therein. This high pressure hot gas is forced through the regenerator and the pressure switches to low pressure as the displacer descends. This has been accomplished with a Scotch Yoke driven displacer having a rotary valve as described in US Pat. No. 5,361,588 by Asami. In the Scotch yoke drive, the position of the displacer is fixed by rotating the motor regardless of the pressure. When the displacer rotates in the forward direction, the timing of gas inflow and outflow through the valve is optimized to generate refrigeration. The rotary valve disc is rotated by a valve motor having a shaft with a surface that slides over ports in the valve seat and a pin that engages a slot in the back of the valve disc. The valve disc of US Pat. No. 5,361,588 has an annular slot that changes the angle at which the pin engages the slot. This causes the high pressure port to open when the displacer is at the top and moves to the bottom, and the low pressure port to open when the displacer is at the bottom and moves to the top. The PV sequence is counterclockwise. Valve timing is to achieve a near-optimal heating cycle.
大型クライオポンプを冷却するためにエキスパンダの冷却能力を高めると、スコッチヨーク駆動は、空気圧駆動よりもはるかに大きく高価になるため、冷却サイクルから昇温サイクルに変更できる、より効率的な空気圧駆動エキスパンダが必要となる。 Increasing the cooling capacity of the expander to cool large cryopumps makes the Scotch yoke drive much larger and more expensive than the pneumatic drive, so a more efficient pneumatic drive that can change from a cooling cycle to a heating cycle is recommended. An expander is required.
Gao及びLongsworthによる米国特許第7,191,600号には、再生器へのフロー及びパルスチューブへのフローのために別々のロータリーバルブを有するパルスチューブエキスパンダが開示されている。バルブモータが順方向に回転しているときは、2つのバルブ間の位相差が冷却を生じさせ、逆方向に回転しているときは、2つのバルブ間の位相がシフトして昇温を生じさせる。国際公開WO2018/168305号は、逆方向の回転時に昇温を生じさせる、米国特許第7,191,600号に記載のものとは異なるパルスチューブエキスパンダのバルブ構成を開示している。 US Pat. No. 7,191,600 to Gao and Longsworth discloses a pulse tube expander having separate rotary valves for flow to the regenerator and flow to the pulse tube. When the valve motor is rotating in the forward direction, the phase difference between the two valves causes cooling, and when the valve motor is rotating in the opposite direction, the phase shift between the two valves causes a rise in temperature. let International Publication WO 2018/168305 discloses a different valve configuration for a pulse tube expander than that described in US Pat. No. 7,191,600, which causes a temperature increase upon rotation in the opposite direction.
米国特許5,361,588号の原理は、ディスプレーサを上下駆動する機構であるスコッチヨークを、ディスプレーサへの圧力を切り換えるバルブであるロータリーバルブから独立させ、回転方向を変える際に圧力切換の位相がシフトされるというものである。国際公開WO2018/168304号には、駆動ステムに取り付けられ、駆動ステムよりも大きなピストンを有するディスプレーサの空気圧駆動を開示しており、このピストンは、ディスプレーサに接続されるバルブとは異なる入口バルブと出口バルブに接続される。バルブは、固定されたバルブシートの上を摺動する同心円状のバルブディスクである。内側のバルブディスクは、ディスプレーサへのフローを切り換え、外側のバルブディスクは、駆動ピストンの上部へのフローを切り換える。バルブモータを逆回転させると、外側バルブディスクは、内側バルブディスクに対して一定の角度で回転し、冷却ではなく昇温を行うために必要な位相シフトが行われる。図8a~図8dは、それぞれ304号出願の図1、図8(a)、図8(c)、図9(c)を示している。図8aに示すように、容積48の駆動ピストンの背面側のガスは、駆動ピストンと駆動ステムのシール50、32の間に閉じ込められる。これは、容積48に依存する平均圧力を中心に循環する。図8cに示す矩形のP-V図を達成するためには、容積48は、駆動ピストン46の上側の容積の少なくとも2倍の大きさでなければならない。図8bは、駆動ステムへのフローを制御するバルブV3及びバルブV4が180度の差で開き、同時間開いたままであり、一方、バルブV2は、V1の後に約100度で開き、同時間開いたままであることを示している。この非対称性は、冷却のための最適なタイミングを提供し得るが、図8dに示す小さいP-V図として反映されているように、昇温のためのタイミングは最適ではなくなる。冷却から昇温に切り換える際に、駆動ステムに相当するバルブの開閉タイミングを異ならせることができることは、この発明の重要な側面である。
The principle of U.S. Patent No. 5,361,588 is that the Scotch yoke, which is the mechanism that drives the displacer up and down, is made independent from the rotary valve, which is the valve that switches the pressure to the displacer. It is said to be shifted. International publication WO 2018/168304 discloses a pneumatic drive of a displacer having a piston attached to the drive stem and larger than the drive stem, the piston having different inlet and outlet valves than the valves connected to the displacer. connected to the valve. The valve is a concentric valve disc that slides over a fixed valve seat. The inner valve disc switches flow to the displacer and the outer valve disc switches flow to the top of the drive piston. Reverse rotation of the valve motor causes the outer valve disc to rotate at an angle relative to the inner valve disc, providing the necessary phase shift to provide heating rather than cooling. 8a to 8d respectively show FIG. 1, FIG. 8(a), FIG. 8(c), and FIG. 9(c) of the '304 application. As shown in Figure 8a, gas on the backside of the drive piston in
本発明の目的は、空気圧駆動のGM型エキスパンダにおいて、駆動モータの向きを反転させることなく、冷却から昇温への切換を行い、かつ冷却と昇温の両方で効率の良いバルブタイミングを提供することである。エキスパンダのディスプレーサを、ディスプレーサの圧力に関係なくストローク端まで駆動できる駆動ピストンで往復させ、ディスプレーサと駆動ピストンの圧力を切り換える個別のトラック有するロータリーバルブを使用し、駆動ピストンのトラック上の冷却用のポートから昇温用の第2のポートにフローを変更する独立した切換バルブを設けることによって、冷却と昇温の両方で高い効率を実現する。切換バルブは、線形駆動又は回転駆動のいずれかによって作動させることができる。駆動ピストンは、単動式でも複動式でもよく、アクチュエータは、単に駆動ピストンへのフローを切り換えるのみでなく、切換バルブによって圧力降下を変更するコントローラにも接続して、ディスプレーサが上下に動く速度を制御することもできる。 The purpose of the present invention is to switch from cooling to heating without reversing the direction of the drive motor in a pneumatically driven GM type expander, and to provide efficient valve timing for both cooling and heating. It is to be. The displacer of the expander is reciprocated by a drive piston that can be driven to the end of its stroke regardless of the pressure on the displacer, and a rotary valve with separate tracks is used to switch the pressure between the displacer and the drive piston. High efficiency in both cooling and heating is achieved by providing an independent switching valve that changes flow from the port to the second port for heating. The switching valve can be operated by either a linear drive or a rotary drive. The drive piston can be single-acting or double-acting, and the actuator is connected to a controller that not only switches the flow to the drive piston, but also changes the pressure drop through a switching valve to adjust the speed at which the displacer moves up and down. can also be controlled.
これらの利点は、コンプレッサから第1の圧力でガスを受け取り、第2の圧力でガスを戻すための極低温エキスパンダによって達成できる。極低温エキスパンダは、空気圧で駆動され、往復運動するディスプレーサアセンブリと、冷却と昇温をそれぞれ生じさせる冷却モード及び昇温モードを提供できるバルブアセンブリとを備える。ディスプレーサアセンブリは、ディスプレーサシリンダ内の温端と冷端との間を往復するディスプレーサと、ディスプレーサの温端に取り付けられ、ステムスリーブを介して延びる駆動ステムと、上部及び下部を有する駆動ピストンであって、駆動ピストンの下部が駆動ステムの上端に取り付けられ、駆動ピストンシリンダ内を往復する駆動ピストンとを備える。駆動ピストンは、駆動ステムよりも大きな直径を有していてもよい。ガスは、再生器を介して温間変位容積(warm displaced volume)と冷間変位容積(cold displaced volume)との間を流れる。バルブアセンブリは、バルブシート(弁座)と、バルブシートの上で回転するバルブディスク(弁体)とを含む。バルブシートは、ディスプレーサシリンダ又はバルブアクチュエータに接続する第1の半径に位置するポートと、駆動ピストンシリンダに接続する第2の半径に位置するポートと、第2の圧力でコンプレッサに接続する中央ポートとを有する。バルブディスクは、第1の圧力と第2の圧力のガスを第1の半径に位置するポートと第2の半径に位置するポートとに交互に接続するスロットを有する。第2の半径に位置するポートは、冷却ポート及び昇温ポートを含む。バルブディスクの回転方向は、一定である。バルブアセンブリは、第2の半径に位置するポートと、駆動ピストンの上側の上部容積との間に、切換バルブを更に含む。切換バルブは、冷却ポート又は昇温ポートのいずれかを駆動ピストンの上側の上部容積に接続し、冷却モード又は昇温モードのいずれかを提供するように構成される。 These advantages can be achieved by a cryogenic expander for receiving gas from a compressor at a first pressure and returning gas at a second pressure. The cryogenic expander includes a pneumatically driven, reciprocating displacer assembly and a valve assembly capable of providing cooling and heating modes to provide cooling and heating, respectively. The displacer assembly includes a displacer that reciprocates between a hot end and a cold end within the displacer cylinder, a drive stem attached to the hot end of the displacer and extending through a stem sleeve, and a drive piston having an upper part and a lower part. , the lower part of the drive piston is attached to the upper end of the drive stem, and the drive piston reciprocates within the drive piston cylinder. The drive piston may have a larger diameter than the drive stem. Gas flows between a warm displaced volume and a cold displaced volume through a regenerator. The valve assembly includes a valve seat and a valve disc that rotates over the valve seat. The valve seat has a port located at a first radius that connects to the displacer cylinder or valve actuator, a port located at a second radius that connects to the drive piston cylinder, and a central port that connects to the compressor at a second pressure. has. The valve disc has slots that alternately connect gas at a first pressure and a second pressure to ports located at the first radius and ports located at the second radius. The ports located at the second radius include a cooling port and a heating port. The direction of rotation of the valve disc is constant. The valve assembly further includes a switching valve between the port located at the second radius and the upper volume above the drive piston. The switching valve is configured to connect either the cooling port or the heating port to the upper volume above the drive piston to provide either a cooling mode or a heating mode.
図面は、限定の意図はなく、例示のみを目的として、本概念に基づく1つ以上の実施態様を描いている。図において、同様の参照符号は、同一又は類似の要素を指す。 The drawings depict one or more implementations of the present concepts by way of illustration only and not by way of limitation. In the figures, like reference numbers refer to identical or similar elements.
本節では、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明の幾つかの実施形態についてより詳細に説明する。但し、本発明は、多くの異なる形態で具現化でき、本明細書に開示する実施形態に限定されると解釈されるべきではない。すなわち、これらの実施形態は、本開示が十分かつ完全なものとなるように、当業者に本発明の範囲を伝えることを目的として提供する。全体を通して、同様の符号は、同様の要素を指し、プライム表記は、代替の実施形態における同様の要素を示すために使用される。図面において同一又は類似する部品には、同じ符号を付し、説明は通常繰り返さない。 In this section, some embodiments of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, which illustrate preferred embodiments of the invention. This invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments disclosed herein. rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Like numbers refer to like elements, and prime notation is used throughout to indicate like elements in alternative embodiments. Identical or similar parts in the drawings are designated by the same reference numerals and descriptions will generally not be repeated.
極低温エキスパンダは、通常、冷端が下になるように動作するため、上下及び上部/下部等の用語は、この向きに関連している。図面では、同じ部品には、同じ番号を使用し、異なる構成の同等部品を区別するために添え字を使用する。 Cryogenic expanders typically operate with the cold end at the bottom, so terms such as top and bottom and top/bottom refer to this orientation. In the drawings, like numbers are used to refer to like parts, and subscripts are used to distinguish like parts in different configurations.
図1は、本発明の中心的な特徴であるバルブ及び駆動ピストンを、システムの残りの部分、すなわちシリンダ30内のディスプレーサ20a、及びライン16を介してロータリーバルブ2に第1の圧力、すなわち高圧Phでガスを供給し、ライン17を介してロータリーバルブ2から第2の圧力、すなわち低圧Plでガスを受け取るコンプレッサ15に関連して詳細に示す、極低温冷凍システム100の回路図である。ロータリーバルブ2は、回転ディスク上のポートが、固定バルブシート(stationary seat)上のポートを通過するようになっている。バルブシート上の第1の半径10aに位置するポートは、ライン9を介してディスプレーサシリンダ30の温端にガスを循環させ、第2の半径11aに位置するポートは、切換バルブ1及びライン18を介して駆動ピストンシリンダ6aの上端にガスを循環させる。ライン18aは、冷却ポートとして指定された、バルブシートの第2の半径11aに位置する第1のポートから始まり、ライン18bは、昇温ポートとして指定された、バルブシートの第2の半径11aに位置する第2のポートから始まる。切換バルブ1の概略図は、冷却の際には図示の位置に固定され、昇温の際には反時計回りに90度回転されることを示す。ロータリーバルブ2の概略図は、ディスプレーサ20aの上昇時に、高圧Phでシリンダ30に接続されているライン9のガスと、低圧Plでシリンダ6aに接続されているライン18のガスとを示している。
FIG. 1 shows the central features of the invention, the valve and the drive piston, being transferred to the rest of the system, i.e. the
ディスプレーサ20aは、シリンダ30内で温端と冷端の間を往復し、温間変位容積(warm displaced volume)25と冷間変位容積(cold displaced volume)26を形成する。ガスは、温端のポート23、再生器22a、及びディスプレーサ本体21aの冷端のポート24を通って、容積25と容積26との間を流れる。シール27は、ガスが再生器22aをバイパスするのを防止する。ディスプレーサ20aは、駆動ステム7によって上下に駆動され、駆動ステム7は、下端がディスプレーサ20aの上端に、上端が駆動ピストン5aの下端に接続されている。駆動ピストン5aは、駆動ピストン5aの上側の容積12a内の循環ガス圧力と駆動ピストン5aの下側の緩衝容積13a内の圧力との間の圧力差が駆動ステム7の外側の領域に作用することによって上下に駆動される。駆動ピストン5aは、ピストンの片側で高圧Phから低圧Plに変化する圧力によってのみ駆動されるため、単動式(single acting)と呼ばれる。駆動ピストン5a内のシール31は、容積12a内のガスを容積13a内のガスから分離する。ステムスリーブ8内のシール28は、容積13a内のガスを容積25内のガスから分離する。
The
典型的な動作圧力は、供給圧力Phが約2.2MPa、戻り圧力Plが約0.8MPaで、圧力比が2.8であるため、駆動ピストン5aがフルストロークを完了するためには、緩衝容積13aは、変位容積12aの3倍以上である必要がある。フルストローク中に駆動ピストン5aを横切る圧力差がほぼ一定になるように容積12aの圧力変化を低減するためには、より大きな容積が必要である。容積12aに対するこの大きな容積の緩衝容積13aは、駆動ピストン5aの下側の圧力変化側の容積とは別の容積として概略的に示している。
Typical operating pressures are a supply pressure Ph of about 2.2 MPa, a return pressure Pl of about 0.8 MPa, and a pressure ratio of 2.8, so in order for the drive piston 5a to complete a full stroke, the buffer The volume 13a needs to be three times or more the
図2は、複動式駆動ピストン5bを有する点でシステム100と異なる極低温冷凍システム200の概略図を示している。駆動ピストン5bの下側の圧力は、上側の圧力が高圧Phのときに低圧Plであり、上側の圧力が低圧Plのときに高圧Phである。システム100では、ロータリーバルブ2の昇温ポートからのライン18bは、冷却時に切換バルブ1で遮断されるが、システム200では、切換バルブ3及びライン19を介して、駆動ピストン5bの下側の容積13bに接続される。複動式駆動ピストン5bは、全圧力差Ph-Plが作用するので、単動式駆動ピストン5aよりも直径を小さくでき、駆動ピストン5bの上下の容積12b、13bも、駆動ピストン5bによって変化する容積と同程度に小さくできる。
FIG. 2 shows a schematic diagram of a
ロータリーバルブ4は、バルブシート上の第1の半径10bの位置において、ライン9へのポートを有し、第2の半径11bの位置において、ライン18a、18b及びライン18へのポートを有する点で、ロータリーバルブ2と同様である。切換バルブ3は、冷却ライン18aからのガスがライン18に接続すると、ロータリーバルブ4の昇温ライン18bからのガスがライン19に接続するように構成されており、これにより、バルブディスク4の回転に伴って駆動ピストン5bの上下の圧力を反対圧力に切り換える。
The rotary valve 4 has a port to line 9 at a
切換バルブ3は、冷却時には、図示の位置に固定され、昇温時には、反時計回りに90度回転される。ロータリーバルブ4の模式図では、ディスプレーサ20aの上昇時に、高圧Phでシリンダ30に接続されるライン9のガスと、低圧Plでシリンダ6bの上部に接続されるライン18のガスと、高圧Phでシリンダ6bの下部に接続されるライン19のガスとを示している。空気圧駆動の極低温エキスパンダを冷却から昇温に移行させる機構は、GMサイクルエキスパンダによって冷却されるクライオポンプに最適であるが、図3に示すように、空気圧駆動のブレイトンサイクルエキスパンダに適用することも可能である。
The switching
図3は、単動式駆動ピストンを有する空気圧作動式ブレイトンサイクルエキスパンダを含む極低温冷凍システム300の概略図である。システム300のブレイトンサイクルエキスパンダは、シリンダ30bの冷端にメインの入口バルブ9a及び出口バルブ9bを有する。ガスは、コンプレッサ15から高圧ライン16及び熱交換器50を通って入口バルブ9aに流れ、出口バルブ9bから熱交換器50及び低圧ライン17を通って戻ってくる。ディスプレーサ21bは、再生器22bを備え、再生器22bは、冷端容積26から温端容積25にガスを循環させてディスプレーサ21bの上下の圧力をほぼ同じに保ち、システム100又はシステム200のバルブ機構及び駆動ピストン機構を使用して冷却又は昇温を行うことができる。ロータリーバルブ2’の第1の半径10cに位置するポートは、冷間入口バルブ9a及び冷間出口バルブ9bを開閉する空気圧アクチュエータ29a、29bに少量のガスを循環させるのみなので、比較的小さい。空気圧アクチュエータ29aは、高圧Phに接続されるとバルブ9aを開き、低圧Plに接続されるとバルブ9aを閉じる。アクチュエータ29b及びバルブ9bについても同様である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a cryogenic refrigeration system 300 that includes a pneumatically operated Brayton cycle expander with a single-acting drive piston. The Brayton cycle expander of system 300 has a main inlet valve 9a and outlet valve 9b at the cold end of cylinder 30b. Gas flows from
図4は、システム100の切換バルブ1、ロータリーバルブ2、及び駆動ピストン5aの断面を示している。回転ディスク2aは、バルブモータ40、モータシャフト41、及びディスク2aの上部のスロット44に係合するピン42によって回転される。本発明のために例示するバルブディスクは、1回転あたり2サイクルを有し、したがって2つの対称的な高圧及び低圧スロットを有している。バルブシートは、ディスプレーサへのフローのための2組の対称的なポートを有するが、駆動ピストンへのフローのための1対のポートのみを有することもできる。バルブディスク2aの下部は、バルブシート2bと接しており、ここに示すスロット17aは、スプール1bを介して、低圧戻りポート17をピストン駆動容積12aへのライン18aと接続する。これは、冷却モードである。システム100は、リニアアクチュエータ1aが、スプール1bを右側に引き、ライン18bがピストン駆動容積12aに接続されると、昇温モードに切り換わる。ライン18a及びライン18bは、異なる流動インピーダンス(flow impedance)を有していてもよく、これにより、昇温モード及び冷却モードにおいて駆動ピストン5aが上下に移動する速度を異ならせることができる。異なる流動インピーダンスは、切換バルブの開度によって又は固定されたポートサイズによって決定してもよい。切換バルブの開度を制御することによって、ピストン速度を制御してもよい。
FIG. 4 shows a cross section of the switching
切換バルブ1は、エキスパンダが冷却モードであるときは冷却ポート18aのみが駆動ピストン5aの上側の上部容積12aと流体連通し、エキスパンダが昇温モードであるときは昇温ポート18bのみが駆動ピストン5aの上側の上部容積12aと流体連通するように構成してもよい。直線的に作動するアクチュエータ1aは、切換バルブ1を通る圧力損失を制御して、ディスプレーサ20aが上下に移動する速度を制御するように構成してもよい。
The switching
図5は、システム200の切換バルブ3、ロータリーバルブ4、及び駆動ピストン5bの断面を示している。バルブディスク4aの底面は、バルブシート4bと接しており、スロット16aは、スプール3b及びライン18を介して、高圧供給ポート16及びライン18bをピストン駆動容積12bに接続し、スロット17aは、スプール3b及びライン19を介して、低圧戻りポート17及びライン18aをピストン駆動容積13bに接続する。これは、昇温モードである。システム200は、ロータリーアクチュエータ3aがスプール3bを90度回転させ、ライン18aがピストン駆動容積12bに接続し、ライン18bがピストン駆動容積13bに接続すると、冷却モードに切り換わる。
FIG. 5 shows a cross section of the switching
図6a及び図7aは、2つの位置にあるシステム100~300のロータリーバルブを例示的に示している。冷却時の図6b及び昇温時の図7bは、バルブディスクの高圧スロット及び低圧スロットがバルブシートのポートを通過するタイミングを示し、これは、バルブの開閉に相当する。図6c及び図7cは、冷却時及び昇温時のP-V線図上にバルブの開閉を示すものである。図6a、図7aは、バルブモータから見たバルブディスク2aであって、バルブシート2bに対して反時計回りに回転する面のスロット16a、17aを示している。第1の半径46に位置するバルブシート2bのポート9は、ディスプレーサシリンダ30に接続し、高圧スロット16aがこの上を通過する際はバルブV1(図6b参照)として開き、低圧スロット17aがこの上を通過する際は低圧バルブV2として開く。第2の半径45に位置するバルブシート2bのライン18a、18bは、駆動ピストンシリンダ6aの上部に接続し、高圧スロット16aがこれらの上を通過する際はバルブV3a、V3bとして開き、低圧スロット17aがこれらの上を通過する際は低圧バルブV4a、V4bとして開く。切換バルブ1は、エキスパンダの冷却時にはライン18bからのフローを遮断し、エキスパンダの昇温時にはライン18aからのフローを遮断する。
Figures 6a and 7a exemplarily show the rotary valve of the system 100-300 in two positions. Figure 6b when cooling and Figure 7b when heating up show the timing of the high and low pressure slots of the valve disk passing through the ports of the valve seat, which correspond to opening and closing of the valve. FIGS. 6c and 7c show the opening and closing of the valves on the PV diagram during cooling and heating. Figures 6a and 7a show the slots 16a, 17a of the valve disc 2a as seen from the valve motor, in a plane that rotates counterclockwise relative to the valve seat 2b. The port 9 of the valve seat 2b located at the
図6a、図6b、図6cは、冷間変位容積(cold displaced volume)26が最大で、ディスプレーサ20aが上部にあり、圧力が低圧Plより大きい、膨張段階の終わりから始まる冷却サイクルを示している。図6b及び図6cの数字1~8は、バルブタイミング及び対応するP-Vサイクルを示し、これは、以下のように要約される。
Figures 6a, 6b, 6c show a cooling cycle starting at the end of the expansion phase, with the cold displaced
1:バルブV2が開き、ディスプレーサ内の圧力が低圧Plまで低下する。 1: Valve V2 opens and the pressure inside the displacer drops to low pressure Pl.
2:圧力がPlまで低下した後、V3aが開き、駆動ピストン上下の圧力差によってディスプレーサが下部に向かって押される。 2: After the pressure drops to Pl, V3a opens and the displacer is pushed toward the bottom by the pressure difference above and below the drive piston.
3:ディスプレーサが下部に到達する前にV2が閉じ、冷たいガスが温端に移動して圧力が上昇するとともに、ディスプレーサが下部までの残りの部分を移動する。 3: V2 closes before the displacer reaches the bottom, cold gas moves to the warm end, pressure increases, and the displacer moves the rest of the way to the bottom.
4:V1が開き、圧力が高圧Phまで上昇する。 4: V1 opens and the pressure rises to high pressure Ph.
5:V3が閉じる。 5: V3 closes.
6:V4が開き、駆動ピストンにかかる圧力差によってディスプレーサが上部に向けて押し上げられる。 6: V4 opens and the displacer is pushed upwards by the pressure difference on the drive piston.
7:ディスプレーサが上部に到達する前にV1が閉じ、温かいガスが冷端に移動して圧力が低下するとともに、ディスプレーサが上部までの残りの部分を移動する。 7: V1 closes before the displacer reaches the top, the warm gas moves to the cold end, the pressure decreases, and the displacer moves the rest of the way to the top.
8:V4が閉じる。 8: V4 closes.
このサイクルには、2つの原理があり、第1の原理は、ディスプレーサの圧力が切り換わった後に駆動ピストンの圧力が切り換わることであり、第2の原理は、ディスプレーサが上下のストローク端に達する前にバルブV1、V2が閉じることである。 This cycle has two principles: the first principle is that the drive piston pressure switches after the displacer pressure switches, and the second principle is that the displacer reaches the upper and lower stroke ends. This means that valves V1 and V2 are closed before.
図7a、図7b、及び図7cは、変位容積26が最小で、ディスプレーサ20aが下部にあり、圧力が低圧Plより大きい、低圧段階の始まりから始まる昇温サイクルを示している。図7b及び図7cの数字1~8は、バルブタイミング及び対応するP-Vサイクルを示し、これは、以下のように要約される。
Figures 7a, 7b and 7c show a heating cycle starting from the beginning of the low pressure phase, with the
1:バルブV2が開き、ディスプレーサ内の圧力がPlまで低下する。なお、バルブV3bはまだ開いており、駆動ピストン5a上の高圧ガスを維持し、駆動ピストン5aを下方に維持している。 1: Valve V2 opens and the pressure inside the displacer drops to Pl. Note that the valve V3b is still open, maintaining high pressure gas above the drive piston 5a, and maintaining the drive piston 5a downward.
6:圧力がPlまで下がった後、V4bが開き、駆動ピストン上下の圧力差でディスプレーサが上部に向かって引き寄せられる。 6: After the pressure drops to Pl, V4b opens and the displacer is drawn toward the top due to the pressure difference above and below the drive piston.
3:ディスプレーサが上部に到達する前にV2が閉じ、温かいガスが下端まで移動して圧力が上昇するとともに、ディスプレーサが上部までの残りの部分を移動する。 3: V2 closes before the displacer reaches the top, warm gas moves to the bottom, pressure increases, and the displacer moves the rest of the way to the top.
4:V1が開き、圧力が高圧のPhまで上昇する。なお、V4bはまだ開いており、これにより駆動ピストンがディスプレーサを上部に維持している。 4: V1 opens and the pressure rises to high pressure Ph. Note that V4b is still open, allowing the drive piston to keep the displacer on top.
7:V1が閉じ、ディスプレーサが下部に移動して圧力が下がり、ガスが冷端から温端に移動する。 7: V1 closes, the displacer moves to the bottom, the pressure decreases, and the gas moves from the cold end to the warm end.
このサイクルには、3つの原理がある。第1の原理は、バルブV1及びV2が圧力を切り換えると、駆動ピストンの上側の圧力がディスプレーサを上又は下に保持することである。第2の原理は、高圧又は低圧に達した後に駆動ピストンの上側の圧力を切り換えること、第3の原理は、ディスプレーサが上部又は下部に達する前にバルブV1及びV2を閉じることである。ここで、昇温ライン18bを冷却ライン18aから90度以上離れた位置に配置できるので、V2をV1より長く開き、V1をV2の後に90度以上開くことによって冷却サイクルを最適化しても、昇温サイクルに悪影響がない点が重要である。
This cycle has three principles. The first principle is that when valves V1 and V2 switch pressure, the pressure above the drive piston holds the displacer up or down. The second principle is to switch the pressure above the drive piston after reaching the high or low pressure, and the third principle is to close the valves V1 and V2 before the displacer reaches the top or bottom. Here, since the
システム300のバルブ開閉タイミングは、システム100の場合と同じであってもよい。この場合、駆動ピストン5bの上下の圧力を同時に切り換える必要があるため、システム200のバルブ及びバルブ開閉タイミングの表現は、より対称性が高い。したがって、良好な冷却サイクルと良好な昇温サイクルのバランスをとるために妥協が必要である。
The valve opening and closing timing for system 300 may be the same as for system 100. In this case, since it is necessary to switch the upper and lower pressures of the
特許請求の範囲は、引用された特定の構成要素に限定されるものではない。例えば、直線的に作動するように示されている切換バルブ1は、回転的に作動するバルブと置き換えることができる。第2の半径に位置する昇温ポートは、これに代えて第3の半径の位置に設けてもよい。また、機械設計を簡略化するために最適ではない動作限界を含むことも、これらの請求の範囲に含まれる。本明細書で使用する用語及び説明は、例示のみを目的とし、発明を限定する意図はない。本発明及び本明細書に記載された実施形態の思想及び範囲内で、多くの変形が可能であることは当業者にとって明らかである。
The claims are not limited to the specific elements recited. For example, the switching
1 切換バルブ
1a リニアアクチュエータ
1b スプール
2 ロータリーバルブ
3 切換バルブ
3a ロータリーアクチュエータ
3b スプール
4 ロータリーバルブ
4a バルブディスク
4b バルブシート
5a 駆動ピストン
5b 駆動ピストン
6a 駆動ピストンシリンダ
6b 駆動ピストンシリンダ
7 駆動ステム
8 ステムスリーブ
9 ライン
9a 入口バルブ
9b 出口バルブ
10a 第1の半径
10b 第1の半径
11a 第2の半径
11b 第2の半径
12a 容積
12b 容積
13a 緩衝容積
13b 容積
15 コンプレッサ
16 ライン
16a スロット
17 ライン
17a スロット
18 ライン
18a ライン
18b ライン
20a ディスプレーサ
20b ディスプレーサ
21a ディスプレーサ本体
21b ディスプレーサ本体
22a 再生器
22b 再生器
23 温端のポート
24 冷端のポート
25 容積
26 容積
27 シール
28 シール
29a 空気圧アクチュエータ
29b 空気圧アクチュエータ
30 シリンダ
30b シリンダ
31 シール
40 バルブモータ
41 モータシャフト
42 ピン
44 スロット
45 第2の半径
46 第1の半径
50 熱交換器
100 極低温冷凍システム
200 極低温冷凍システム
300 極低温冷凍システム
1 Switching valve 1a Linear actuator 1b Spool 2
Claims (14)
空気圧で駆動され、往復運動するディスプレーサアセンブリと、
冷却及び昇温をそれぞれ生じさせる冷却モード及び昇温モードを提供する能力を有するバルブアセンブリと、
を備え、
前記ディスプレーサアセンブリは、
ディスプレーサシリンダ内で前記ディスプレーサシリンダの温端と冷端の間を往復するディスプレーサであって、前記ディスプレーサシリンダ内に温間変位容積と冷間変位容積とを生成し、ガスが再生器を介して温間変位容積と冷間変位容積の間に流れる前記ディスプレーサと、
前記ディスプレーサの温端に取り付けられ、ステムスリーブを介して延びる駆動ステムと、
上部及び下部を有する駆動ピストンであって、前記駆動ピストンの下部が前記駆動ステムの上端に取り付けられ、駆動ピストンシリンダ内で往復運動し、前記駆動ピストンは、前記駆動ステムより大きな直径を有し、前記駆動ピストンは、前記駆動ピストンの上側の上部容積と前記駆動ピストンの下側の下部容積を分離する前記駆動ピストンと、
を備え、
前記バルブアセンブリは、
バルブシートであって、前記バルブシートは、前記ディスプレーサシリンダ又はバルブアクチュエータに接続する第1の半径に位置するポート、前記駆動ピストンシリンダに接続する第2の半径に位置するポート、及び前記第2の圧力で前記コンプレッサに接続する中央ポートを有する前記バルブシートと、
前記バルブシートの上で回転するバルブディスクであって、前記バルブディスクは、前記第1の圧力及び前記第2の圧力で前記ガスを前記第1の半径及び前記第2の半径に位置するポートに交互に接続するスロットを備え、前記第2の半径に位置するポートは、冷却ポート及び昇温ポートを備え、前記バルブディスクの回転方向は一定である前記バルブディスクと、
前記第2の半径に位置する前記ポートと前記駆動ピストンの上側の前記上部容積との間に設けられた切換バルブであって、前記冷却ポート又は前記昇温ポートを前記駆動ピストンの上側の前記上部容積に接続し、前記冷却モード又は前記昇温モードのいずれかを提供するように構成された前記切換バルブと、
を備えることを特徴とする極低温エキスパンダ。 A cryogenic expander that receives gas from a compressor at a first pressure and returns gas at a second pressure, the cryogenic expander comprising:
a pneumatically driven reciprocating displacer assembly;
a valve assembly capable of providing a cooling mode and a heating mode that produce cooling and heating, respectively;
Equipped with
The displacer assembly includes:
A displacer that reciprocates between a hot end and a cold end of the displacer cylinder within a displacer cylinder, the displacer generating a warm displacement volume and a cold displacement volume within the displacer cylinder, and causing the gas to warm up through a regenerator. the displacer flowing between the cold displacement volume and the cold displacement volume;
a drive stem attached to the hot end of the displacer and extending through a stem sleeve;
a drive piston having an upper part and a lower part, the lower part of the drive piston being attached to the upper end of the drive stem and reciprocating within a drive piston cylinder, the drive piston having a larger diameter than the drive stem; the drive piston separating an upper volume above the drive piston and a lower volume below the drive piston;
Equipped with
The valve assembly includes:
a valve seat, the valve seat having a port located at a first radius that connects to the displacer cylinder or valve actuator, a port located at a second radius that connects to the drive piston cylinder, and a port located at a second radius that connects to the drive piston cylinder; the valve seat having a central port connecting to the compressor at pressure;
a valve disk rotating above the valve seat, the valve disk directing the gas at the first pressure and the second pressure to ports located at the first radius and the second radius; the valve disk comprising alternately connected slots, the port located at the second radius comprising a cooling port and a heating port, and the rotation direction of the valve disk is constant;
a switching valve provided between the port located at the second radius and the upper volume above the drive piston; the switching valve connected to the volume and configured to provide either the cooling mode or the heating mode;
A cryogenic expander characterized by comprising:
前記冷却ポート又は前記昇温ポートのいずれかを前記駆動ピストンの上側の前記上部容積に接続するためのスプールと、
前記スプールを直線的又は回転的に作動させるためのアクチュエータと、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の極低温エキスパンダ。 The switching valve is
a spool for connecting either the cooling port or the heating port to the upper volume above the drive piston;
an actuator for linearly or rotationally operating the spool;
The cryogenic expander according to claim 1, comprising:
前記第1の半径に位置する前記ポートは、前記バルブアクチュエータに接続されており、
前記バルブアクチュエータは、前記コンプレッサの前記第1の圧力に接続されているときに前記入口バルブを開く第1のバルブアクチュエータを備え、
前記バルブアクチュエータは、前記コンプレッサの前記第1の圧力に接続されているときに前記出口バルブを開く第2のバルブアクチュエータを備えることを特徴とする請求項1に記載の極低温エキスパンダ。 The displacer assembly further includes a cold inlet valve and a cold outlet valve connected to the cold displacement volume of the displacer cylinder;
the port located at the first radius is connected to the valve actuator;
the valve actuator comprises a first valve actuator that opens the inlet valve when connected to the first pressure of the compressor;
The cryogenic expander of claim 1, wherein the valve actuator comprises a second valve actuator that opens the outlet valve when connected to the first pressure of the compressor.
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